一种机动车特征数据采集分析器及分析方法

摘要

本发明涉及智能交通车辆环形线圈检测技术领域，具体的说是一种用于机动车辆各类特征数据采集、统计与分析的仪器及方法，线路板上线圈的信号输出端分别连接振荡器的信号输入端，振荡器的信号输出端分别连接数字集成电路CPLD的信号输入端，CPLD的信号输出端连接中央处理器CPU的信号输入端，CPU的信号输出端设有继电器信号输出电路和两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路，车辆通过线圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。本发明无干扰，高采样频率，采样量大，令车型检测准确，检测器响应时间短，令车辆测速更精准，本发明可应用于机动车交通违法行为检测、各等级公路车辆智能监测、收费站及各类出入口车辆检测等多种场合。

说明书

[技术领域]

本发明涉及智能交通车辆环形线圈检测技术领域，具体的说是一种用 于机动车辆各类特征数据采集、统计与分析的仪器及方法。

[背景技术]

随着国内智能交通行业的发展，机动车辆及交通信息检测分析技术应 用范围随之扩大，交通违法行为管理、道路流量监测、特定场合客流 分析、交通事件检测等综合分析管理系统所需要的基础信息均依靠对 机动车辆特征数据的检测分析。

目前国内外的机动车信息检测模式主要有环形线圈、雷达、微波、红 外、激光、超声波，由于受到技术原理局限，只有环形线圈检测模式 能够满足多方面的车辆信息及特征采集要求，其他技术模式均只能做 到车辆存在及速度检测，但是环形线圈检测模式响应时间长，从而影 响到检测精度，如车速误差、小范围内车辆定位偏差；采样周期长（ 2-100ms）造成采样量不足，从而影响检测灵敏度和车型判别等需要大 量采样点的特征分析功能的需求，如产生车型分析误差、遇到复杂地 形地况（如大桥桥面下设钢筋、铁板等状况）无法检测到车辆存在。

不仅如此，国内外现有的环形线圈检测技术均采用模拟振荡器循环起 振技术，当车辆通过道路上埋设的线圈时，引起由车检器和线圈组成 的振荡电路频率变化，车检器频率设定为每秒千余次采样分析判断是 否有车通过，同时刻仅 一路振荡器起振，虽无相邻线圈频率干扰问题，但扫描速度慢，例采 样周期是0.5ms，扫描16路线圈就用时8ms，使测速精度大为降低。

若改用同步起振技术则可避免以上问题，但国内外现有的检测器均无 法克服模拟振荡器的互相干扰问题，一旦发生干扰，线圈数据将不能 真实反映车辆通过状态，造成误判，严重时车检器就不能使用。

[发明内容]

本发明的目的在于改进现有环形线圈检测技术，利用二次高频采样原 理的同步起振技术，提供一种无干扰、检测精确的采集分析器及分析 方法。

为实现上述目的，设计一种机动车特征数据采集分析器，包括壳体、 线路板、线圈、振荡器、波形放大整流器、高速脉冲采样电路、数字 集成电路CPLD、中央处理器CPU、串口连接电路，其特征在于线路板上 6个线圈的信号输出端分别连接6个振荡器的信号输入端，6个振荡器的 信号输出端分别连接数字集成电路CPLD的信号输入端，CPLD的信号输 出端连接中央处理器CPU的信号输入端，CPU的信号输出端设有继电器 信号输出电路和两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路 ，车辆通过线圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。

振荡器由电感L11的一端连接5伏直流电源，电感L11的另一端连接电阻 R92一端，电阻R92另一端连接电阻R76一端，电阻R76另一端接地，电 阻R76上并联电容C25,在电感L11和电阻R92之间抽头一端分别连接电容 C54一端、电容C53一端、线圈T1的3端，在电阻R92与电阻R76之间抽头 连接三极管Q1基极，电容C54另一端分别与振荡器SWDIP4的1端2端、电 容C35的一端、三 极管Q1发射极、电阻R75一端连接，电阻R75另一端接地，电容C53另一 端连接振荡器的4端，线圈T1的4端接电容C45一端、电容C35另一端、 三极管Q1集电极，电容C45另一端接振荡器的3端，在三极管Q1发射极 接有反向的二极管D1,二极管D1的正极连接数字集成电路CPLD的信号输 入端， CPLD的八路数据输出信号接中央处理器CPU信号输入端，线圈 T1的1端设有电阻R100与电容C77并联电路，并与线圈T1的2端接线圈的 输出信号线。

中央处理器CPU型号为C8051F340的P0.6端上设有U2型号为C8051F340/ 1/45电路，在CPU的P0.3端上设有集成电路U10，型号为CAT25040。

串口连接器U8型号为SP3223EEY的17、8、16、9端上分别设有电阻R21 2、电阻R213、电阻R214、电阻R218一端，电阻R212、电阻R213、电阻 R214、电阻R218另一端分别连接双排插针S1的2、4、6、8端，U8的V+ 端连接电容C24一端，电容C24另一端连接电容C2，并抽头一端接地， 电容C2另一端连接U8的V-端，U8的2端、4端、电容C72串联，U8的5端 、6端、电容C73串联，U8的18端接地，U8的11端为信号输出端。

CPU输入端设有线圈，数据通过8位数据线传输，外扩设有一SPI接口的 FLASH芯片，存储设置的参数，掉电不丢失。

串口连接器U8采用3.3v电压器件，型号为SP3223EEY,与CPU同一电压， RXD和TXD分别连接CPU的1端和2端，双排插针S1每一根插针之间的距离 为2.54mm，与板卡连接时直接引线即可。

一种机动车特征数据采集分析器的采集分析方法，包括6路振荡器、6 路波形放大整形器、1个数据计数采集器CPLD及中央处理器CPU、2个串 口连接器组 成，其特征在于振荡器采用LC振荡电路，并预设有错频开关，在频率 干扰时起到调节作用；振荡电路的输出端接波形放大整形器LM311的输 入端，LM311采用正电压，参考电平为模拟地；6路LM311输出频率脉冲 接入CPLD，CPLD为高速脉冲采样器件，线圈频率先转换为频率脉冲， 进入采样电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，CPLD内部做 成多级计数器，具有16路16位计数的能力，晶振30MHz-40MHz，相对于 一般振荡电路100KHz-200KHz来说，这样可将原来频率脉冲变化值的采 样值可放大到原来的几十甚至几百倍，最大变化值达到1500-2000，将 线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来，对车型的车轴、车长、 车速检测，进行特征分析比对，便可识别出车辆型号及车辆参数；CP LD的数据输出接CPU的8位数据输入端，CPU采用普通的地址数据复用方 式连接CPLD，所有数据的计算和参数的设置包括速度值、各个线圈的 门限值，车道的配置参数都由此CPU模块完成，CPU的车辆数据的输出 接串口连接器SP3223EEY的输入端, 串口连接器SP3223EEY的输出端则 和电脑相连。

振荡器采用LC振荡电路，线圈接入后产生自激振荡，车辆通过线圈时 引起线圈磁通量变化，导致振荡器频率变化，中间拨码开关调节频率 ；数字集成电路CPLD高速脉冲采样，线圈频率先转换为频率脉冲，进 入数字集成电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次高频采样，振荡器原 始频率在50KHz到300KHz，车辆经过线圈时频率可能只有0.2KHz到1KH z的变化，频率脉冲在1毫秒间隔采样时的频率变化数值只有5-20个， CPLD内部做了两级计数器，利用CPLD高频进行采样，采样频率在30MH z到40MHz，将原来频率脉冲变化值的采样值最大放大到原来的300倍， 最大变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示 出来，对车型的车轴、车长、车速检测进行特征分析比对，识别车辆 型号及车辆参数。

该方法的技术参数为采样频率可达40MHz/S；环形线圈同步起振检测周 期达0.25ms；门限值和各种参数可设定；TTL电平输出响应时间 <1m s；RS232波特率可达115200；输出车辆波形。

波形的处理方法为单车道2个线圈原始数据波形输出，根据波形查看振 荡器基准频率是否稳定、车辆变化值是否达到检测要求、埋设线圈是 否合乎标准，根据波形任意设置每个线圈的有车判断门限值，做到可 视化的无级可调，所述的门限控制原则：板载8级灵敏度调节开关，程 序4-256级可调，快速设置灵敏度；根据线圈输出波形依各种现场需求 设置灵敏度，尤其在地形地况复杂处通过数据分析，设置合理门限， 在磁通量趋近饱和的情况下检测车辆，体现检测效果。

本发明与现有技术相比，利用二次高频采样原理的同步起振技术，克 服模拟振荡器的互相干扰问题；高采样频率数字化后检测波形接近于 原波形，量化后检测数据量更大，细节体现更丰富；环形线圈检测器 采样周期短，仅0.25ms，从而加大采样量，令车型检测等车辆特征数 据采集分析功能得以实现且具有极高准确性；环形线圈检测器响应时 间短，平均可达0.75ms，达到全球范围内同类产品中的最高级别（同 类产品一般响应时间是1~40ms），令车辆测速更精准、图片抓取定位 更精准，环形线圈检测器还能任意设置灵敏度，可应用在更多特殊物 理环境中；本发明可应用于机动车交通违法行为检测、各等级公路车 辆智能监测、收费站及各类出入口车辆检测等多种场合。

[附图说明]

图1为本发明结构框图；

图2为振荡器和线圈电原理图；

图3为CPU部分电原理图；

图4为串口连接器电原理图；

图5 为连续通过的不同机动车特征数据采集分析图；

图6 为图5中个别车型特征数据采集分析图放大图；

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步阐述，其产品构造及方法是本领域技 术人员可以实现的。

所谓采样(sampling)就是采集模拟信号的样本，将时间上、幅值上都 连续的模拟信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散但幅值上仍 连续的离散模拟信号，又称为波形的离散化过程。本发明根据二次高 频采样原理，克服模拟振荡器的互相干扰问题，使同步起振技术应用 得以实现。

在本发明中如图1所示，用6个环形线圈结合6个振荡器采集车辆经过线 圈时产生的信号变化输入到数字集成电路CPLD，将其转化为波形信号 传送至中央处理器CPU，CPU的信号输出端设有继电器信号输出电路和 两个串行接口模块SP3223EEY及TTL电平信号输出电路，将车辆通过线 圈感应的状态将数据显示在计算机上便于分析。

环形线圈与振荡器组成的电路如图2所示，采用LC振荡电路，由电感L 11的一端连接5伏直流电源，电感L11的另一端连接电阻R92一端，电阻 R92另一端连接电阻R76一端，电阻R76另一端接地，电阻R76上并联电 容C25,在电 感L11和电阻R92之间抽头一端分别连接电容C54一端、电容C53一端、 线圈T1的3端，在电阻R92与电阻R76之间抽头连接三极管Q1基极，电容 C54另一端分别与振荡器SWDIP4的1端2端、电容C35的一端、三极管Q1 发射极、电阻R75一端连接，电阻R75另一端接地，电容C53另一端连接 振荡器的4端，线圈T1的4端接电容C45一端、电容C35另一端、三极管 Q1集电极，电容C45另一端接振荡器的3端，在三极管Q1发射极接有反 向的二极管D1,二极管D1的正极连接数字集成电路CPLD的信号输入端， CPLD的八路数据输出信号接中央处理器CPU信号输入端，线圈T1的1端 设有电阻R100与电容C77并联电路，并与线圈T1的2端接线圈的输出信 号线。

中央处理器CPU如图3所示，型号为C8051F340的P0.6端上设有U2型号为 C8051F340/1/45电路，在CPU的P0.3端上设有集成电路U10，型号为CA T25040。

串口连接器U8如图4所示，型号为SP3223EEY的17、8、16、9端上分别 设有电阻R212、电阻R213、电阻R214、电阻R218一端，电阻R212、电 阻R213、电阻R214、电阻R218另一端分别连接双排插针S1的2、4、6、 8端，U8的V+端连接电容C24一端，电容C24另一端连接电容C2，并抽头 一端接地，电容C2另一端连接U8的V-端，U8的2端、4端、电容C72串联 ，U8的5端、6端、电容C73串联，U8的18端接地，U8的11端为信号输出 端。

其采集分析方法，包括6路振荡器、6路波形放大整形器、1个数据计数 采集器CPLD及中央处理器CPU、2个串口连接器组成，其特征在于振荡 器采用LC振荡电路，并预设有错频开关，在频率干扰时起到调节作用 ；振荡电路的输出端接波形放大整形器LM311的输入端，LM311采用正 电压，参考电平为模拟地； 6路LM311输出频率脉冲接入CPLD，CPLD为高速脉冲采样器件，线圈频 率先转换为频率脉冲，进入采样电路CPLD，通过对频率脉冲进行二次 高频采样，CPLD内部做成多级计数器，具有16路16位计数的能力，晶 振30MHz-40MHz，相对于一般振荡电路100KHz-200KHz来说，这样可将 原来频率脉冲变化值的采样值可放大到原来的几十甚至几百倍，最大 变化值达到1500-2000，将线圈频率的微小变化都能最直观的显示出来 ，对车型的车轴、车长、车速检测，进行特征分析比对，便可识别出 车辆型号及车辆参数；CPLD的数据输出接CPU的8位数据输入端，CPU采 用普通的地址数据复用方式连接CPLD，所有数据的计算和参数的设置 包括速度值、各个线圈的门限值，车道的配置参数都由此CPU模块完成 ，CPU的车辆数据的输出接串口连接器SP3223EEY的输入端, 串口连接 器SP3223EEY的输出端则和电脑相连。

该方法的技术参数为采样频率40MHz/S；环形线圈同步起振检测周期达 0.25ms；门限值和各种参数可设定；TTL电平输出响应时间 <1ms；R S232波特率可达115200；输出车辆波形。

波形的处理方法为单车道2个线圈原始数据波形输出，根据波形查看振 荡器基准频率是否稳定、车辆变化值是否达到检测要求、埋设线圈是 否合乎标准，根据波形任意设置每个线圈的有车判断门限值，做到可 视化的无级可调，所述的门限控制原则：板载8级灵敏度调节开关，程 序4-256级可调，快速设置灵敏度；根据线圈输出波形依各种现场需求 设置灵敏度，尤其在地形地况复杂处通过数据分析，设置合理门限， 在磁通量趋近饱和的情况下检测车辆，体现检测效果。

经识别后的车辆信息波形如图5图6所示，不同的车型波形不同，可以 此 作为判断车型的依据。

本发明可检测道路流量，车道二线圈敷设下，检测器自动对顺行方向 的机动车进行计数，通过RS232报文即时输出有车信息；车辆方向判断 ，检测器通过车辆存在检测，在本机自动完成二线圈有车存在的逻辑 判断，自动识别车辆行进方向，定位信息输出；提供速度检测功能， 当机动车通过前后两组线圈时，检测器分别获取机动车存在信息，根 据二组线圈的固定距离计算机动车运动速度；及车型分析车型数据， 当机动车驶离后再由检测器对完整数据进行分析，由于车检器采用的 是高频采样独特技术，根据机动车底盘构造特性，所采集的频率幅值 差异显著，MCU采用模式识别快速算法，准确判断各类车型。